《物联网技术基础》总复习

考试题型1.简答题（本大题共5小题，每小题3分，共15分）2.名词解释（本大题共5小题，每小题3分，共15分）3.问答题（本大题共4小题，每小题10分，共40分）4.论述题（本大题共2小题，每小题15分，共30分）1第1章物联网概述物联网英文名称为“InternetofThings”，由美国麻省理工大学Auto-ID的KevinAshton教授提出IBM公司提出了“智慧地球”的构想物联网的定义：是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化是物联网三个重要特征2第1章物联网概述信息生成→信息应用→信息处理→信息传输→综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层物联网核心技术-四个层次3第1章物联网概述4第1章物联网概述物联网的主要特点（从网络角度观察）联网终端规模化物联网时代每一件物品均具通信功能成为网络终端，5-10年内联网终端规模有望突破百亿。感知识别普适化无所不在的感知和识别将传统上分离的物理世界和信息世界高度融合异构设备互联化各种异构设备利用无线通信模块和协议自组成网，异构网络通过“网关”互通互联。5第1章物联网概述管理处理智能化物联网高效可靠组织大规模数据，与此同时，运筹学，机器学习，数据挖掘，专家系统等决策手段将广泛应用于各行各业。应用服务链条化以工业生产为例，物联网技术覆盖从原材料引进，生产调度，节能减排，仓储物流到产品销售，售后服务等各个环节。6第2章自动识别技术与RFID自动识别技术：光符号识别技术语音识别技术生物计量识别技术指纹识别、虹膜识别、视网膜识别、人脸识别、掌纹识别、手形识别、红外温谱图、人耳识别、味纹识别、基因DNA识别、步态识别、击键识别、签名识别IC卡技术条形码技术RFID技术7第2章自动识别技术与RFIDIC卡分类8第2章自动识别技术与RFIDIC卡工作的基本原理是：射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器数据。9第2章自动识别技术与RFID条形码Barcode：是将宽度不等的多个黑条和空白，按一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符一维码：是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记。二维码：利用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。目前，世界上应用最多的二维条码符号有AztecCode、PDF147、DataMatrix、QRCode、Code16K等。10第2章自动识别技术与RFID一维码特点：可直接显示内容为英文、数字、简单符号；贮存数据不多，主要依靠计算机中的关联数据库；保密性能不高；损污后可读性差。二维码特点：可直接显示英文、中文、数字、符号、图形；贮存数据量大，可存放1K字符，可用扫描仪直接读取内容，无需另接数据库；保密性高（可加密）；安全级别最高时，损污50%仍可读取完整信息。11第2章自动识别技术与RFIDRFID：即射频识别（RadioFrequencyIdentification），俗称电子标签，一种自动识别技术，可以快速读写、长期跟踪管理，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别RFID系统主要由阅读器、天线和标签三大组件构成RFID的工作原理RFID标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者由标签主动发送某一频率的信号，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理，实现对被识别物体的自动识别。12第2章自动识别技术与RFIDRFID标签分类:被动式标签（PassiveTag）：因内部没有电源设备又被称为无源标签。被动式标签内部的集成电路通过接收由阅读器发出的电磁波进行驱动，向阅读器发送数据。主动标签（ActiveTag）：因标签内部携带电源又被称为有源标签。电源设备和与其相关的电路决定了主动式标签要比被动式标签体积大、价格昂贵。但主动标签通信距离更远，可达上百米。半主动标签（Semi-activeTag）：兼有被动标签和主动标签的所有优点，内部携带电池，能够为标签内部计算提供电源。这种标签可以携带传感器，可用于检测环境参数，如温度、湿度、是否移动等。然而与主动式标签不同的是它们的通信并不需要电池提供能量，而是像被动式标签一样通过阅读器发射的电磁波获取通信能量。13第2章自动识别技术与RFIDRFID标签与条形码相比的优点:体积小且形状多样：RFID标签在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需要为了读取精度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。环境适应性：纸张容易被污染而影响识别。但RFID对水、油等物质却有极强的抗污性。另外，即使在黑暗的环境中，RFID标签也能够被读取。可重复使用：标签具有读写功能，电子数据可被反复覆盖，因此可以被回收而重复使用。穿透性强：标签在被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质包裹的情况下也可以进行穿透性通讯。数据安全性：标签内的数据通过循环冗余校验的方法来保证标签发送的数据准确性。14第2章自动识别技术与RFIDRFID的工作频段及特点：低频LF（30kHz~300kHz）：典型工作频率有125kHz和133kHz，波长大约为2500m。一般都为无源标签，其工作能量通过电感耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射场中获得，通信范围一般小于1米。除金属材料影响外，低频信号一般能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。高频HF（3MHz~30MHz）：典型工作频率为13.56MHz，波长大概为22米，通信距离一般也小于1米。该频率的标签不再需要线圈绕制，可以通过腐蚀活字印刷的方式制作标签内的天线，采用电感耦合的方式从阅读器辐射场获取能量。具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。15第2章自动识别技术与RFIDRFID的工作频段及特点(续)：超高频UHF（300MHz~3GHz）：典型工作频率为433MHz，860~960MHz，2.4GHz，5.8GHz，波长大概在30厘米左右。其中2.4GHz和5.8GHz属于微波范围。超高频标签可以是有源标签与无源标签两种，通过电磁耦合方式同阅读器通信。通信距离一般大于1米，典型情况为4~10米。具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大，可靠性高和兼容性好等特点。16第3章无线传感网（WSN）传感器定义：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器一般有敏感元件，转换元件，基本转换电路三部分组成。敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一种物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。转换电路：完成被测量参数至电量的基本转换输入到测控电路中，进行放大，运算，处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制17第3章无线传感网无线传感器节点由：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块：负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块：负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块：负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块：为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池18第3章无线传感网制约传感器性能提升的因素功耗的制约：无线传感节点一般被部署在野外，不能通过有线供电。其硬件设计必须以节能为重要设计目标。价格的制约：无线传感节点一般需要大量组网，以完成特定的功能。其硬件设计必须以廉价为重要设计目标。体积的制约：无线传感节点一般需要容易携带，易于部署。其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。19第3章无线传感网大规模长时间部署传感器的设计要求：低成本与微型化低成本的节点才能被大规模部署，微型化的节点才能使部署更加容易节点的软件设计也需要满足微型化的需求，必须节约计算资源，避免超出节点的硬件能力低功耗在硬件设计上采用低功耗芯片软件节能策略来实现节能：核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入低功耗模式，仅在需要工作的时候进入正常状态20第3章无线传感网大规模长时间部署传感器的设计要求（续）灵活性与扩展性传感器节点被用于各种不同的应用中，因此节点硬件和软件的设计必须具有灵活性和扩展性节点的硬件设计需满足一定的标准接口，例如节点和传感板的接口统一有利于给节点安装上不同功能的传感器软件的设计必须是可剪裁的，能够根据不同应用的需求，安装不同功能的软件模块鲁棒性鲁棒性是实现传感器网络长时间部署的重要保障对于普通的计算机，一旦系统崩溃了，人们可以采用重启的方法恢复系统，而传感器节点则不行，就整个网络而言，可以适当增加冗余性，增加整体系统的鲁棒性21第3章无线传感网无线传感器网络，WSN（Wireless

Sensor

Network），是由大量部署在作用区域内、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点，通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统22第3章无线传感网节点操作系统区别于传统操作系统的主要特点是：硬件平台资源极其有限TinyOS由加州伯克莱分校开发,是目前无线传感网络研究领域使用最为广泛的OS。ContikiOS是由瑞典计算机科学研究所开发的面向“物联网”的开源、高度可移植的节点操作系统。23第4章定位系统位置信息：空间、时间、人物主流定位系统卫星定位系统蜂窝基站定位系统室内精确定位系统WiFi基站定位系统24第4章定位系统各国的卫星定位系统美国：GPS俄罗斯：GLONASS欧盟：伽利略中国：北斗一号（区域）、北斗二号（全球）25第4章定位系统利用卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球定位系统，简称GPS。GPS主要由空间卫星，地面监控，用户信号接受设备组成空间部分：由24颗卫星组成，均匀分布在6个轨道上。地面监控部分：负责监控GPS的工作。用户设备部分：主要由各种GPS接收机组成，其作用是接入、跟踪、变换和测量GPS信号。特点：优点是高精度，全天候，高效率，全球覆盖，可用于险恶环境；多功能，操作简便，应用广泛。缺点是启动时间长、信号穿透能力弱，室内信号差、需要GPS接收机。26第4章定位系统GPS卫星定位系统的工作原理

GPS卫星定位系统的工作原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距PR）27第4章定位系统GPS卫星定位系统的工作原理（续）

GPS卫星正常工作时会不断地发射导航电文。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。28第4章定位系统A-GPSGPS定位和蜂窝基站定位的结合体利用基站定位确定大致范围连接网络查询当前位置可见卫星大大缩短搜索卫星的时间29第4章定位系统基于TOA的定位：TOA定位精度高，但要求节点间保持精确的时间同步，因此对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。基于TDOA的定位：TDOA技术对硬件的要求高，成本和能耗使得该种技术对低能耗的传感器网络提出了挑战。但是TDOA技术测距误差小，有较高的精度。基于AOA的定位：AOA定位不仅能确定节点的坐标，还能提供节点的方位信息。但AOA测距技术易受外界环境影响，且AOA需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上不适用于大规模的传感器网络。基于RSSI的定位：在实验环境中RSSI表现出良好的特性，但是在现实环境中，温度、障碍物、传播模式等条件往往都是变化的，使得该技术在实际应用中仍然存在困难。定位技术30第5章智能信息设备智能手机操作系统:智能信息设备智能手机智能车载设备智能数字标牌智能医疗设备智能家电31第5章智能信息设备智能手机：连接“人”和数字世界的重要纽带手机与感知加速度传感器、陀螺仪、磁力计、距离传感器、光传感器、麦克风、喇叭、摄像头…内置传感器协同工作，用户行为交互感知手机与互联互通智能手机可通过WiFi、3G、GPRS等网络接入方式连接互联网手机与智能生活基于位置的服务：大众点评社交网络服务：Facebook移动支付：Passbook32第6章无线宽带网络无线网络的组成元素：无线网络用户、无线连接和基站

无线网络用户：是指具备无线通信能力，并可将无线通信信号转化为有效信息的终端设备无线连接：用户与基站、用户与用户或基站与基站之间的数据传输通路。以无线电波、光波为载体。支持多种多样的传输速率和传输距离基站：也是一个无线网络用户，其特殊性在于它的职责是将一些无线网络用户连接到更大的网络中（校园网、互联网、电话网）。无线网络用户通过基站接收和发送数据包，基站将用户的数据包发给它所属的上层网络，并将上层网络的数据包转发给指定的无线网络用户。根据不同的无线连接协议，相应基站的名称和覆盖的范围是不同的自组网：无须基站和上层网络支持。用户之间通过自组织的方式形成自组网（Ad-hocNetwork）。地址指派、路由选择等功能由用户自身完成。33第6章无线宽带网络根据无线网络分类，无线宽带网络包括：Wi-Fi：无线局域网WiMAX：无线城域网3G,4G：无线广域网UWB：超宽带无线个域网无线宽带网络和有线宽带网络的主要区别在于数据链路层和物理层34第6章无线宽带网络无线网络不同于有线网络的技术难点:

信号强度衰减：无线信号能量随着传输距离增长而减弱。非视线传输：若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡，则称其为非视线传输。无线信号可能会被阻挡物吸收或者迅速衰减。同频信号干扰：相同无线频段的信号会相互干扰，例如2.4GHz；外部环境的电磁噪声，例如微波炉、汽车、高压电线。多径传播干扰：无线信号由于阻挡物的反射和折射，到达接收端的时间可能略微不同。隐藏终端：A向基站B发送信息，C未能侦测到A，也向基站B发送信息，故A和C同时将信号发送至基站B，引起信号冲突，最终导致发送至基站B的信号都丢失了。35第6章无线宽带网络无线广域网：WirelessWideAreaNetworks，连接信号可以覆盖整个城市甚至国家，其信号传播途径主要有两种：一是信号通过多个相邻的地面基站接力传播；另一种是信号通过通信卫星系统传播。当前主要的广域网有2G、3G系统。无线城域网：WirelessMetropolitanAreaNetworks，基站的信号可以覆盖整个城市区域，在服务区域的用户可以通过基站访问互联网等上层网络，WiMAX是实现无线城域网的主要技术。36第6章无线宽带网络无线个域网：WirelessPersonalAreaNetwork，在更小的范围内（约10m）以自组织模式在用户之间建立用于相互通信的无线连接。无线局域网：WirelessLocalAreaNetwork，在一个局部的区域内（如教学楼、机场候机大厅、餐厅等）内为用户提供可访问互联网等上层网络的无线连接。无线局域网是已有有线局域网的拓展和延伸，使得用户在一个区域内随时随地访问互联网。37第6章无线宽带网络无线局域网有两种工作模式：第一种基于基站模式，无线设备（手机、上网本、笔记本电脑）通过接入点AP访问上层网络；第二种是基于自组织模式，例如在一个会议室内，所有与会者的移动设别可以不借助接入点组成一个网络用于相互之间的文件、视频数据的交换38第6章无线宽带网络Wi-Fi：是由Wi-Fi联盟所持有的一个无线网路通信技术品牌，目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。IEEE802.11是IEEE制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入。由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE小组相继推出了一系列802.11标准。不同802.11协议的差异主要体现在使用频段，调制模式和信道差分等物理层技术上。IEEE802.11采用CSMA/CA（带冲突避免的载波监听多路访问协议），而以太网CSMA/CD（采用带冲突检测的多载波监听多路访问协议）39第6章无线宽带网络CSMA/CD：CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，带冲突检测的载波监听多路访问协议其工作原理：发送数据前先侦听信道是否空闲，若信道空闲则立即发送数据。若信道忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据；若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。若侦听到冲突，则立即停止发送数据，等待一段随机时间，再重新尝试。可以用一句话简单总结：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发。40第6章无线宽带网络CSMA/CA：CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，带冲突避免的载波监听多路访问协议其工作原理：首先发送端检测信道是否有使用，如果检测出信道空闲，则在等待一段随机的时间后继续探测，如果信道仍然空闲，就发送数据。接收端如果正确收到该数据，则在经过一段时间间隔后，向发送端发送一个确认帧ACK。发送端如果收到ACK，则确定数据已经正确传输。而无线信道在经历一段时间间隔后，又会出现一段空闲时间。如果发送端没有收到ACK，则或者发送的数据没有被完整地收到，或者ACK信号发送失败，不管是那种现象发生，数据报都会在发送端等待一段时间后被重传41第6章无线宽带网络IEEE802.11协议采用CSMA/CA的原因：

冲突检测（CD）需要全双工（发送数据同时也可接受数据），硬件代价过高，无线网卡很难同时接收冲突探测帧和发送无线信号。

无线信号衰减特性和隐藏终端问题使冲突很难被侦测42第6章无线宽带网络为了避免冲突和“隐藏终端”，CSMA/CA利用请求发送帧RTS（RequesttoSend）和允许发送帧CTS（CleartoSend），只为发送端预留无线信道的使用权，从而确保发送端在接下来传送数据时，不会发生碰撞。43第7章无线低速网络常见无线低速网络协议红外(InfraredCommunication)蓝牙(Bluetooth)通信协议IEEE802.15.4/ZigBee协议体域网(BodyAreaNetwork)协议容迟网络(Delay/DisruptionTolerantNetwork)协议44第7章无线低速网络红外通信技术利用红外线传输数据，比蓝牙技术出现更早，是一种较早的无线通信技术。特点采用875nm左右波长的光波通信，通信距离一般为1米左右。设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势缺点设备之间必须互相可见对障碍物的衍射较差45第7章无线低速网络蓝牙技术是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙技术规范，标准IEEE802.15，频带2.4GHz，带宽为1Mb/s采用跳频扩频结合的调制技术，以时分方式进行全双工通信基带协议是电路交换和分组交换的组合距离：Class1为100m、Class2为10m、Class3为2-3m蓝牙设备分主设备和从设备；主设备具有输入端；蓝牙匹配规则：主设备与主设备之间、主设备与从设备之间，是可以互相匹配在一起的；而从设备与从设备是无法匹配的46第7章无线低速网络ZigBee又称为IEEE802.15.4标准，其目标是实现类似于蜂群的低功耗、低复杂度、低速率、自组织的短距离无线通信网络，为个人或家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250Kb/s、20Kb/s和40Kb/s的传输速率，传输距离在10~180m的范围内。47第7章无线低速网络ZigBee具有如下特点：低功耗：ZigBee传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。成本低：ZigBee模块初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5~2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。48第7章无线低速网络ZigBee具有如下特点（续）：网络容量大：一个Zigbee星型网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。安全：提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。49第8章移动通信网络第一代移动通信，模拟语音，典型代表AMPS;第二代移动通信(2G)，数字语音，典型代表GSM，CDMA;第三代移动通信(3G)，数字语音与数据，典型代表TD-SCDMA，W-CDMA和CDMA200050第8章移动通信网络AMPS1982年，美国贝尔实验室发明了高级移动电话系统(AdvancedMobilePhoneSystem,AMPS)，提出了“小区制”，“蜂窝单元”的概念，是第一种真正意义上的“蜂窝移动通信系统”，同时采用频分复用技术，解决了公用移动通信系统所需要的大容量要求和频谱资源限制的矛盾。GSM工作在900/1800MHz频段，124对单工信道，每对单工信道有200kHz频宽无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议CDMA无线接口采用窄带码分多址（CDMA）技术第三代移动通信系统的基础51第8章移动通信网络CDMA移动通信网是由蜂窝组网、扩频、多址接入以及频率复用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域等三维信号处理的一种协作。因此它具有:抗干扰性好抗多径衰落保密安全性高容量和质量之间可做权衡取舍同频率可在多个小区内重复使用等属性CDMA最明显的优势在于，它利用编码技术可以区分并分离多个同时传输的信号。它允许用户可以任何时刻在任何频段发送信号，对于冲突的信号，可以从混合信号中提取出期望的数据信号，同时拒绝所有其他的噪音信号。52第8章移动通信网络呼吸效应：在CDMA系统中，基站的实际有效覆盖面积会随着用户增多（干扰增强）而缩小，反之则会增大。导致“呼吸效应”的主要原因是CDMA系统是一个自干扰系统；CDMA2000和W-CDMA属于同频自干扰系统，邻近用户之间自干扰现象明显，从而降低了实际传输速率。TD-SCDMA的解决方案利用低带宽的FDMA和TDMA限制了系统的最大干扰；在单时隙中应用CDMA技术提高系统容量；利用联合检测和SDMA技术对客户终端的信号跟踪；充分利用下行信号能量，最大程度上抑制了客户之间的干扰。可以说，TD-SCDMA系统不再是一个自干扰系统，“呼吸效应”基本被消除。53第8章移动通信网络远近效应：手机用户到基站的距离是在不断变化中的，固定的通信功率不仅会造成严重的功率过剩（离基站很近的地方依然用大功率来传输数据），且可能形成有害的电磁辐射。TD-SCDMA的解决方案TD-SCDMA通过动态调控功率改善“远近效应”：手机终端依据自己到基站的通信距离动态的调整自己的传输功率，从而尽可能的减少过剩，且依然保证可连通性。采用动态信道分配的方式，即根据用户的需求进行实时的动态资源分配，包括频率，时隙和码字等。动态信道分配不仅提高了信道资源的利用率，且增强了对于网络中负载和干扰变化的适应能力。54第9章大数据与海量存储网络存储体系结构：直接附加存储（DAS）网络附加存储（NAS）存储区域网络（SAN）困难：只能满足中等规模商业需求55第9章大数据与海量存储直接附加存储（Direct-AttachedStrorage，DAS）将存储系统通过缆线直接与服务器或工作站相连一般包括多个硬盘驱动器，与主机总线适配器通过电缆或光纤在存储设备和主机总线适配器之间不存在其他网络设备实现了计算机内存储到存储子系统的跨越网络附加存储（NetworkAttachedStorage，NAS）文件级的计算机数据存储架构，计算机连接到一个仅为其它设备提供基于文件级数据存储服务的网络存储区域网络（StorageAreaNetwork，SAN）通过网络方式连接存储设备和应用服务器的存储架构由服务器、存储设备和SAN连接设备组成存储共享，支持服务器从SAN直接启动56第9章大数据与海量存储三种网络存储结构的比较直接附加存储DAS：管理容易，结构简单；集中式体系结构，不能满足大规模数据访问的需求；存储资源利用率低，资源共享能力差，造成“信息孤岛”。网络附加存储NAS：网络的存储实体，容易实现文件级别共享；性能严重依赖于网络流量，用户数过多，读写过频繁时性能受限。存储区域网络SAN：存储管理简化，存储容量利用率提高；无直接文件级别的访问能力，但可在SAN基础上建立文件系统。57第9章大数据与海量存储维基百科：数据中心是一整套复杂的设施。它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备（例如通信和存储系统），还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置。Google多功能的建筑物，能容纳多个服务器以及通信设备。这些设备被放置在一起是因为它们具有相同的对环境的要求以及物理安全上的需求，并且这样放置便于维护。58第9章大数据与海量存储Google数据中心三大软件技术分布式文件系统GoogleFileSystem分布式处理系统MapReduce分布式存储系统BigTable59第9章大数据与海量存储GFS的设计思想组件失效不再被认为是意外，而是被看做正常的现象。因此，GFS在设计中集成了常量监视器、错误侦测、容错以及自动恢复系统。按照传统的标准，Google的文件非常巨大，通常以GB为单位衡量。需要处理快速增长的、并且由数亿个对象构成的、数以TB的数据集时，如果仍旧采用管理数亿个KB大小的小文件的方式是非常不明智的。Google对文件的操作具有特定的模式。对大部分文件的修改，不是覆盖原有数据，而是在文件尾追加新数据。对文件的随机读写操作几乎是不存在的。一般情况，文件在被写入后就只会被读，而且通常是按顺序读。客户端对数据块缓存是没有意义的，追加操作成为性能优化和原子性保证的焦点。应用程序和文件系统API的协同设计提高了整个系统的灵活性。比如，GFS放松了对一致性模型的要求，减轻了应用程序的负担，简化了GFS的设计。GFS引入了原子性的追加操作，从而保证多个客户端同时进行追加操作，不需要额外的同步操作。60第9章大数据与海量存储GFS的设计架构一个GFS集群包含一个主服务器和多个块服务器，并被多个客户端访问。文件分成固定大小的“块”。每个块在创建时都由主服务器分配一个固定不变的64位句柄唯一标识。块服务器把块作为Linux文件存储在本地磁盘上，并根据指定的块句柄和字节范围对数据块进行读写操作。主服务器维护所有文件系统的元数据，包括名字空间、访问控制信息、文件到块的映射信息以及块当前的位置。此外，主服务器还控制其它系统级的活动。主服务器周期性地与块服务器通信，以下达指令和收集状态。GFS客户端代码被嵌入到每个应用中。它实现了文件系统API，实现主服务器与块服务器的通信从而代表应用实现读写操作。客户端与服务器交互从而实现元数据操作，但所有的数据操作都通过直接与块服务器交互而完成。61第9章大数据与海量存储GFS的设计架构62第9章大数据与海量存储MapReduce的定义：是一种针对超大规模数据集的编程模型和系统，用MapReduce开发出的程序可在大量商用计算机集群上并行执行、处理计算机的失效以及调度计算机间的通信。包括用户写的两个程序：映射函数Map和归约函数Reduce，以及一个在计算机集群上执行多个程序实例的框架。MapReduce程序的执行过程63第9章大数据与海量存储BigTable的定义：是一种用来在海量数据规模下（例如包含以PB为单位的数据量和数千台廉价计算机的应用）管理结构化数据的分布式存储系统。每个BigTable都是一个稀疏的、分布式的多维有序图，按行键值、列键值和时间戳建立索引。64第10章数据库系统关系数据库系统的缺点缺乏对真实世界实体的有效表达关系数据库的根本缺陷在于缺乏直接构造应用相关信息的类型表达能力。关系数据模型不直接支持复杂的数据类型，所有的数据必须转换为简单的类型，如整数、实数、双精度数和字符串等，因此，需要额外地分解数据结构工作，而且这些被分解的结构不能直接表示应用数据，从基本成分重构时也非常繁琐和费时间。缺乏对复杂查询的有效处理对复杂的SQL查询，特别是多表关联查询的需求。任何大数据量的web系统，都非常忌讳多个大表的关联查询，以及复杂的数据分析类型的复杂SQL报表查询。65第10章数据库系统缺乏对WEB应用的有效支持数据库高并发读写的需求。关系数据库应付上万次SQL查询还勉强顶得住，但应付上万次SQL写数据请求，硬盘IO就已经无法承受了。海量数据的高效率存储和访问的需求。对于关系数据库来说，在一张2.5亿条记录的表里面进行查询，效率是极其低下乃至不可忍受的。数据库事务一致性需求。很多web实时系统并不要求严格的数据库事务，对读一致性的要求很低，有些场合对写一致性要求也不高。因此数据库事务管理成了数据库高负载下一个沉重的负担。数据库的写实时性和读实时性需求。对关系数据库来说，插入一条数据之后立刻查询，是肯定可以读出来这条数据的，但是对于很多web应用来说，并不要求这么高的实时性。66第10章数据库系统物联网数据特点海量性，多态性，关联性及语义性物联网数据存储模式分布式存储集中式存储物联网数据查询快照查询：查询不固定，数据不固定连续查询：查询固定，数据不固定数据融合：即怎样分析、综合不同来源的无数的数据流，是传感网乃至物联网跨向大规模应用所必须越过的障碍。67第11章物联网中的信息安全与隐私保护RFID安全主要安全和隐私隐患：窃听、跟踪、中间人攻击、欺骗/重放/克隆、物理破解、篡改信息、拒绝服务攻击、RFID病毒保护手段：物理安全机制/密码学安全机制/PUF…位置隐私定义：用户对自己位置信息的掌控能力。用户能自由决定是否发布位置信息，将信息发布给谁，通过何种方式来发布，以及发布的信息有多详细。保护手段：制度制约、隐私方针、身份匿名、数据混淆68第12章智能交通智能交通系统：通过在基础设施和交通工具当中广泛应用先进的感知技术、识别技术、定位技术、网络技术、计算技术、控制技术、智能技术对道路和交通进行全面感知，对交通工具进行全程控制，对每一条道路进行全时空控制，以提高交通运输系统的效率和安全，同时降低能源消耗和对地球环境的负面影响。69第12章智能交通70智能导航不停车收费系统实时路况智能控制交通灯自动驾驶当前的智能交通系统车辆间通信车载娱乐70第12章智能交通智能交通监测应用：车流监控、电子警察系统。智能交通管理应用：自适应交通信号、可变限速标志、自动亮灯人行道、可变车道、智能匝道流量控制。71可变限速标志/车道标志智能交通信号灯系统智能车道系统71第12章智能交通电子收费(Electronictollcollection,ETC)系统：能够在车辆以正常速度驶过收费站的时候自动收取费用，降低了收费站附近产生交通拥堵的概率。最近这项技术也被用来加强城市中心区域的高峰期拥堵收费。ETC收费系统72第12章智能交通智能停车管理：通过超声波、弱磁等传感器节点对车位进行实时监测；通过泛在的无线连接方式将车位信息进行实时汇聚存储至数据云端；通过传统的电子引导牌或者智能手机，车载GPS等方式引导驾驶者到附近合适的空车位。弱磁传感器超声波探测节点73第12章智能交通辅助驾驶：通过车辆上的视频、雷达、GPS等设备，和车辆之间与车辆和路旁设备的通信，采集道路和车辆信息，辅助驾驶员做出操作决策。Google无人驾驶车74第12章智能交通智能行驶：将道路作为信息的收集者、分发者和决策者来直接指导车辆行驶。在智能道路上，路面和路旁将大量布设各种信息感知、处理和通信单元。75第12章智能交通安全应用如紧急情况自动警报，车道变更辅助，路口情况和交通信号提醒，路面情况提醒，路障提醒等。Toyota公司的CICAS系统（CooperativeIntersectionCollisionAvoidanceSystem），各个车道的车辆能通过车载设备接收到路旁设备的交通信号信息，如“车道1红灯4秒”。基于DSRC技术的路旁设备通过地图和车辆的GPS信息智能地控制交通信号，并对有危险的车辆及时发出警告。舒适度应用如车内的Internet访问服务以及音乐电影的下载和在线观看；通过短距离通信技术进行聊天或者互动游戏；沿途的景点、饭店、商店等信息的介绍和查询；自动对车内环境进行调节等。76第13章智能物流物流的定义：是满足顾客需要为目的，从物品的源点到最终消费点，为有效的物品流通和存储，服务及相关信息而进行企划、执行和控制的过程。智能物流：现代物流系统希望利用信息生成设备，如RFID设备、感应器或全球定位系统等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，并能够在这个物联化的物流网络中实现智能化的物流管理。77第13章智能物流EPC：即产品电子代码（ElectronicProductCode），为每一件单品建立全球的、开放的标识标准，实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯。目标：“互联网地址系统”每个物体或电子设备都有一个独立唯一的EPCCode对象名称解析系统（ObjectNamingService，ONS）整个物流领域连成EPC物联网78第13章智能物流食品物流食品物流的特殊性保存、运输条件多、要求高智能物联技术与食品物流传感器搜集需监测的各种参数条形码、RFID标签支持安全回溯电子耳标方便快速通关发展方向丰富感知手段提高智能化程度79第13章智能物流基于RFID技术的航空行李人工辅助系统(签信通)解决问题：人工分拣行李的正确率仅能达到80%行李丢失损坏影响航班正常运行解决方案：通过为行李贴标签环节附带上无源RFID标签，并将此标签信息及对应旅客个人信息、航班信息、行李信息传输至本地数据中心进行存储，介入到整个行李托运流程中。80第13章智能物流始发旅客行李称重贴标签传送带安全行李可疑行李分拣池腕带阅读器识别行李拖车行李集装箱离港行李行李运送进港系统飞机行李运输车、集装箱提取转盘卸货区进港提取转盘进港旅客人工分拣开包检查安全检查RFID行李标签打印腕带阅读器识别分拣线自动识别腕带阅读器提示装车自动复核手持设备二次复核81第13章智能物流标签激活高精度复核可视化分拣海量数据存储82第14章智能建筑智能建筑：物联网技术为绿色建筑带来了新的力量。通过建立以节能为目标的建筑设备监控网络，将各种设备和系统融合在一起，形成以智能处理为中心的物联网应用系统，有效的为建筑节能减排提供有力的支撑83第14章智能建筑建筑系统智能化一个大型现代建筑就是一个巨型复杂系统，单靠人力是无法运作和维护的，因此必需大量用到物联网感知、通信技术对建筑状态进行检测和采集，并通过计算技术智能地进行决策，从而对系统设施进行自动控制、调节和管理。智能建筑通常包含以下这些子系统：采暖空调系统给排水系统采光、照明系统电梯与扶梯系统此外，不同的建筑还存在各种不同的子系统需要由智能建筑进行监测、控制和管理以保障建筑整体的功能、效率、安全和节能。84第14章智能建筑办公智能化智能化办公系统利用现代技术，借助先进的办公设备，最大限度的提高办公效率和改进办公质量,改善办公环境和条件，并辅助决策，减少或避免各种差错和弊端,提高管理和决策的科学化水平，在智能建筑中占有重要地位。物联网技术的加入为智能办公带来了新的功能：多种有效的信息发布和交流的渠道，实现各部门系统和人员之间的无障碍通信。工作流程的自动化，实时监控、跟踪，协同工作：如机场自动购票、托运、登机；文档、设备管理的智能化，使各类文档和设备能够按权限进行保存、共享和使用，并提供文档、设备的跟踪和查找，以及可靠的防盗手段。此外还能进行车辆管理、分布式办公、移动办公等。85第14章智能建筑通信智能化现代智能建筑的一个重要组成部分就是智能的信息通信系统，它保证建筑物内语音、数据、图像的高效传输，同时也保证建筑与外部通信网（如电话公网、互联网、卫星以及广电网）能流畅的互通信息。智能建筑中的通信系统包括：传统固定电话通信系统。卫星通信系统。广播电视系统。计算机网络通信系统。物联网中的多种无线通信技术86第14章智能建筑安防和逃生智能化智能安防系统是智能建筑保障其安全性和可靠性的重要组成部分。其主要目的是为了预防入侵、盗窃、抢劫、破坏、爆炸等违法犯罪活动和重大事故的发生。其主要包括：门禁控制系统闭路电视监控系统防盗报警控制系统停车场管理系统求救求助系统环境报警系统：如煤气泄漏报警，消防报警等87第14章智能建筑能耗监测和节能控制全球气候变暖，能源紧缩，污染加剧，不仅要求建筑满足结构、功能、效率和安全等方面的需求，还要求现代建筑在节能、降耗、减排等方面做出努力。利用各种监测设备（各种感应器、智能电源等）全面监测建筑的环境和能耗情况，进行综合分